a sustainable retrofit analysis · hershey press building hershey, pa 5 the hershey press building,...

64
A Sustainable Retrofit Analysis For the Hershey Press Building Hershey, PA AE Senior Thesis Final Report Spring 2009 Alyssa Adams | Mechanical Option | April 7, 2009 | Dr. William Bahnfleth

Upload: others

Post on 01-Feb-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  •    

     A Sustainable Retrofit Analysis 

    For the Hershey Press Building                                                Hershey, PA 

                                                                           AE Senior Thesis                                 Final Report                                                   Spring 2009    

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Alyssa Adams | Mechanical Option | April 7, 2009 | Dr. William Bahnfleth 

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

     

    Table of Contents ACKNOWLEDGEMENTS ...................................................................................................................................... 4 

    1.0 EXECUTIVE SUMMARY .................................................................................................................................. 5 

    2.0 FACILITY BACKGROUND ................................................................................................................................ 6 

    2.1 CONSTRUCTION BACKGROUND ........................................................................................................................... 6 2.2 ELECTRICAL AND LIGHTING SYSTEM BACKGROUND ............................................................................................ 7 2.3 STRUCTURAL SYSTEM BACKGROUND .................................................................................................................. 7 

    3.0 EXISTING MECHANICAL SYSTEM ................................................................................................................... 8 

    3.1 DESIGN CONDITIONS ........................................................................................................................................... 9 3.2 AIR SIDE MECHANICAL SYSTEM ......................................................................................................................... 11 3.3 WATER SIDE MECHANICAL SYSTEM ................................................................................................................... 12 

    4.0 ASHRAE STANDARDS ................................................................................................................................... 15 

    4.1 ASHRAE STANDARD 62.1‐2004 ............................................................................................................................. 15 4.2 ASHRAE STANDARD 90.1‐2007 .......................................................................................................................... 17 

    5.0 SUSTAINABLE RETROFIT INTRODUCTION ..................................................................................................... 22 

    5.1 SUSTAINABLE RETROFIT OBJECTIVES ................................................................................................................. 22 5.2 OPTIONS FOR THE WATER EFFICIENCY STUDY ................................................................................................... 22 5.3 OPTIONS FOR THE ENERGY EFFICIENCY STUDY .................................................................................................. 23 5.4 OPTIONS FOR THE INDOOR ENVIRONMENTAL QUALITY STUDY ........................................................................ 24 5.5 SUSTAINABLE RETROFIT SUMMARY .................................................................................................................. 25 

    6.0 WATER EFFICIENCY STUDY ........................................................................................................................... 26 

    7.0 ENERGY EFFICIENCY STUDY .......................................................................................................................... 32 

    8.0 INDOOR ENVIRONMENTAL QUALITY STUDY ................................................................................................. 37 

    9.0 CM BREADTH – VENTILATION DUCT ADDITION ............................................................................................ 39 

    10.0 ARCHITECTURAL BREADTH – WINDOW REPLACEMENT .............................................................................. 44 

    10.1 REPLACEMENT WINDOW INFORMATION ........................................................................................................ 44 10.2 REPLACEMENT WINDOW INSTALLATION INSTRUCTIONS ................................................................................ 45 10.3 REPLACEMENT WINDOW ENERGY STUDY ....................................................................................................... 46 

    11.0 SUSTAINABLE IMPACTS TO LEED ................................................................................................................ 47 

    11.1 WATER EFFICIENCY ............................................................................................................................................... 47 11.2 ENERGY AND ATMOSPHERE .................................................................................................................................... 47 11.3 INDOOR ENVIRONMENTAL QUALITY ......................................................................................................................... 48 11.4 SUMMARY .......................................................................................................................................................... 48 

    12.0 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS ................................................................................................... 50 

    13.0 REFERENCES .............................................................................................................................................. 51 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

     

      APPENDIX A – GS3 RATE SCHEDULE ................................................................................................................... 52 

    APPENDIX B – WINDOW ELEVATIONS ................................................................................................................ 53 

    APPENDIX C – WINDOW DETAILS ...................................................................................................................... 56 

    APPENDIX D – WINDOW ESTIMATE ................................................................................................................... 58 

    APPENDIX E – LEED ANALYSIS ............................................................................................................................ 63 

      

     

     

     

     

     

     

     

     

        

    Penn State Architectural Engineering Faculty 

    Thesis Advisor     William Bahnfleth, Ph.D., P.E., Professor  

    Project Contributors   McClure Company 

    Greg Koussis of Hershey Entertainment & Results, Project Manager Dave Lavery of Hershey Entertainment & Resorts, Project Sponsor Jayne Crabb of M.I. Windows and Doors, Inside Sales Manager Heath Lewis of M.I. Windows and Doors, Design Engineer Dan Miller of McClure Company, Estimator Matt Twomey of High Construction, Consultant Matt Tressler of McClure Company, Mechanical Engineer 

    Family and Friends 

    Acknowledgements 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    5  

     

    The Hershey Press Building, originally built in 1915, has been renovated to accommodate four tenants including Hershey Entertainment and Resorts offices, Houlihan’s restaurant, Jack Gaughen Realty offices, and Devon Seafood Grill restaurant.  The facility uses terminal water to air heat pumps to serve a variety of zones and spaces.  A boiler plant and fluid cooler is used for heat reject and absorption from the water source heat pump loop.  While many of the original building objectives are being met, there is a variety of possible sustainable alternatives that could enrich the system.   

    The goal for the mechanical retrofit redesign is to study three major areas associated with sustainability, including water efficiency, energy efficiency and indoor environmental quality.  Three sustainable alternatives were chosen and will be discussed.  These three include a rain water storage application for the cooling tower, the addition of variable frequency drives for the pumps, and a ducted ventilation air supply to all critical spaces.   

    The rain water storage had a first cost of $157,320.00, and an annual savings of $3,285.00.  Therefore, the calculated the payback for this investment was 48 years, not an optimal scenario for implementation. 

    For the energy efficiency analysis, the option with the cheapest 20‐year life cycle cost option, at $77,625, was to originally install the variable frequency drives during the original construction.  The next best option for the lowest life cycle cost, at $90,484, is the current state of the building, a pump without a VFD.  Finally, the most expensive life cycle cost, at 115,225, is to retrofit a VFD and the required controls into the facility. 

    The indoor environmental quality option had a total cost for of approximately $236,759.00.  The total duration for the install will 26 days, starting June 1, 2009 and ending July 7, 2009.   The construction management breadth will provide a detailed cost and schedule analysis of the ducted ventilation supply system.   

    The second breadth includes an architecture redesign of the building envelope in order for the building to become more energy efficiency, namely replacing the windows.   The windows met ASHRAE Standard 90.1‐2007, however, ending up using more energy than the existing windows. 

    The mechanical system was then analyzed for its performance as sustainable building using the US Green Building Council (USGBC) current LEED‐NC rating system.  The three sustainable retrofits were all able to contribute one point individually, leading to an addition of three LEED points altogether.    With 14 definite points and 34 possible, it would only require 24% of the “maybes” to become points for a “Certified” certification to be awarded.    

    Overall, the study for a sustainable retrofit was an educational experience with unfortunate results.  While the proposed options would increase sustainability points for LEED, the options will still come up short in life cycle costs and payback on investment. 

    1.0 Executive Summary 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    6  

     

    The Hershey Press building is a three story, 75,000 square foot, mixed use facility located in Hershey, Pennsylvania.   It stands as a historic monument on the corner of Park and Chocolate Avenue.  See Figure 2‐1 for site location.  Originally built in 1915 as a printing facility, it was renovated in 2005.  The renovation called for a complete exterior restoration project with total interior demolition.  The goal of the renovation was to return the building to its original 1915 look, while also serving as an office complex.  With the town’s main amusement attraction, Hershey Park, located directly behind the facility, and an historical museum recently constructed next door, the building stands as a popular eatery and office complex for the town of Hershey and its visitors.     

     

    Figure 2‐1: Hershey Press Building – Site   

    2.1 CONSTRUCTION BACKGROUND The Hershey Press Building was a 24‐month construction schedule that included façade restoration and interior renovation of four tenant fit‐out spaces.  The preconstruction activities, including the design, permitting, and procurement phases, took approximately one year to complete.  The demolition phase, marking the beginning of construction, included the removal of hazardous materials, interior demolition and exterior demolition including the removal of large shade panels used to cover the window openings.  Afterwards, the construction team began the building facade restoration to the original 1915 design by replacing storefront glass and windows, restoring the roof, and filling in the shade panel areas.  Concurrently, teams performed site work, paved parking areas, and began in the interior renovation, including installment of engineering systems and interior finishes. 

    The cost of the entire restoration and the second and third floor tenant fit‐out on the second and third floors was approximately $8 million dollars, completed at the end of 2005. This tenant, Hershey Entertainment & Resorts, is a true Hershey conglomerate owns that many of the attractions located in Hershey, including: Hershey Park, Giant Center, Hershey Arena & Stadium, Zoo America, and many other popular attractions.  Call reservation centers, conference rooms, open offices, private offices, and a gym facility are a few spaces located on these floors.  The sheik interior design of the office spaces, mixed with local materials and historical columns, give this office facility a high‐end, personal look.  

                  2.0 Facility Background 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

     The first floor was left unfinished during the original renovation, to accommodate future tenant fit‐outs.  Those tenants, and their spaces, are shown in Figure 2‐2. Houlihan’s, a restaurant constructed in 2006, offers indoor and outdoor seating facing Chocolate Avenue.  Jack Gaughen Realty, finished in 2007, serves as commercial office space.  Devon’s Seafood Grille restaurant, which will be finished this spring, will provide up‐scale dining.    

     

    Figure 2‐2: Hershey Press Building ‐ First Floor Tenant Spaces  

    2.2 ELECTRICAL AND LIGHTING SYSTEM BACKGROUND  The service feeder that enters the Hershey Press building is first step down by an outside transformer.  This transformer converts the 12,470 volt underground feeder voltage into a 480Y/277, 3‐phase building voltage.  This feeder is then drawn through a non‐tapered, copper bus main distribution panel, located in the basement electric room.  The power from the bus is than distributed to ten 60‐500 amp, 480Y/277 volt electric panels and eight 100‐350 amp, 208Y/120 volt electric panels.  In case of power failure, a gas powered, 250 kW generator can be used for the emergency electrical systems of the building.   

    The building’s lighting is typically generated by direct and indirect T8 lamp fixtures with electronic ballasts.  Pendants, wall washers, and sconces are also used for decorative lighting in lobby, restaurant, and conference spaces. 

    2.3 STRUCTURAL SYSTEM BACKGROUND The Hershey Press Building has steel reinforced concrete structural system, known as the “Kahn “system, developed early in the twentieth century. The foundation consists of normal weight, cast in place, 16” slab on grade concrete system.  The exterior columns, formed around the slab on grade, are spaced 15’ on center.  The interior columns, “elephant columns”, are 20” round in diameter, concentrically expands two feet from the top to a 5’‐5” diameter.  They are spaced 17’ apart from each other, on center.   An 11’x11’ panel, 5” thick, serves as a header to column and support for the slab above.  

    Each floor, supported by the interior and exterior columns, was cast in place, normal weight concrete slab.  The first floor is a 12‐1/2” slab, reinforced by steel rods and tied into place on chairs with wires.  Beams spanning 22’ have no less than 9” of bearing.  Beams were used to provide the vertical shafts, including the elevator shaft and stairwells, at various perimeter areas of the building. The second and third floors have 10” slabs.  The roof system, similar to the other floor slabs, was cast in place, normal weight concrete, except with a slight 7/8” per 12” pitch.  The slab is 8” thick and supported by columns, varying heights, which are spaced 22’ on center.  

    Devon’s  Seafood Grille

    Jack Gaughen Realty 

    Houlihan’

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    8  

     

    For the original design of the mechanical system, a list of project objectives was created.  By identifying objectives prior to design, enhanced design decisions could be made in order to meet the final requirements.  These objectives included: 

    • Multiple zone temperature control with the ability heat and cool zones simultaneously • Energy efficiency and life cycle cost optimization • Simplicity of control and control reliability • Integration with existing architecture and structural systems 

    Design objectives were not the only influences during the design development phase.  Site factors and other issues played a large role.  The site, for example, is surrounded by the building seen in Figure 3‐1.  Enclosed site logistics, acoustical properties of the site, and centrality of the building as a town monument became factors in the mechanical design. 

    The office and restaurant parking, located west side of the building, occupies the majority of the free space surrounding the building.  With the enclosed historical confined site, any opportunities for setting large mechanical equipment outside on site, an air‐cooled chiller example became an impractical choice.  Another factor the design would have to balance was the noise factors from the nearby amusement park and the lack of noise generated near the Hershey Museum.  Careful consideration needed to be taken when designing the location of mechanical rooms and equipment placement, to neither add noise to the nearby area, nor leave the building open to noise from the nearby rollercoaster.   

      

     

     

     

     

    Figure 3‐1: The Intersection of Chocolate & Park Avenue in Hershey, PA 

    The south façade, as seen in Figure 3‐1, faces Chocolate Avenue, the main artery in the town of Hershey, Pennsylvania.  Renovating the façade became a focal point in the downtown revitalization movement.  Becoming a monument of change and beauty within the community challenged to project team, especially the mechanical designer, to ensure that the aesthetics of building would not be compromised.  In all, the site affected exterior and acoustic decisions made to the building by the entire project team.     

    1

    2

    3

    4

                 3.0 Existing Mechanical System  

    1. Hershey Press Building 

    2. Parking Garage  3. Hershey Museum  4. Hershey Park 

    Amusement Resort 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    The exterior was not the only issue; the interior layout also impacted many design decisions during renovation.  Also, additional shaft space was integrated into the architectural scheme to accommodate all three floors, without disturbing the structural concrete integrity.  Below, in Table 3‐1, is a breakdown by floor of the lost usable space associated with the mechanical system design, including both the mechanical equipment floor space area and the vertical mechanical shaft area.  With the current floor plan, the entire mechanical system floor space is located in the basement.  This is broken down into 431 square feet of boiler room space and 2,281 of shared mechanical and storage space. 

    Table 3‐1: Breakdown of Lost Useable Space Associated with the Mechanical System 

      

    Mechanical System Floor 

    Space            (Sq. Ft) 

    Vertical Mechanical Shaft Area     (Sq. Ft.) 

    Lost Useable Space (%) 

    Basement  2712  30  37% 

    First Floor  0  32 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    10 

    Table 3‐2: Calculated and As‐Designed Heating and Cooling Mechanical Loads 

     Hershey Press Building Heating and Cooling Loads 

    Occupancy & Floor  

    Calculated Thermal Loads  As‐Designed Thermal Loads 

    Calculated       Heating Load 

    (MBH) 

    Calculated Cooling Load

    (Tons) 

    As‐Designed Heating Load 

    (MBH) 

    As‐Designed Cooling Load 

    (Tons) HE&R (partial basement and     2nd & 3rd Floor offices) 

    471  122  1,845  136 

    Houlihan’s restaurant (1st) 

    778  86 

    637  44 Jack Gaughen Realty offices (1st) 

    454  19 

    Devon Seafood restaurant (1st) 

    26  39 

        Total  1,249  208  2,962  238 

    One noticeable difference in Table 3‐2 is that the heating and cooling loads are greater for the as‐designed.  During the original design, the calculations for the heat pumps, which will be discussed in greater detail in the next section, were based on the cooling and heating load without ventilation.  A summary of this calculation can be seen in Figure 3‐2.  Ventilation was added to the load afterwards and a heat pump was selected, based on the higher of the two heating and cooling values.   

    As‐Designed Heat Pump Calculations 

    Total Vent Load  =  4.45 *Vent Rate  *(4.7) (in BTUs) Total Trace Load  =  Trace Total Load (in BTUs)     Total Design Load  =  Total Vent Load + Total Trace Load (in BTUs)                Sensible Vent Load  =  1.08 *Vent Rate   *(80‐72) (in BTUs)     Sensible Trace Load  =  Trace Sensible Load (in BTUs)   Sensible Design Load  =  Sensible Vent Load + Sensible Trace Load (in BTUs) 

    Figure 3‐2: As‐Designed Heat Pump Sizing Calculations 

    Each heat pumps heating value is proportional to the cooling value. Therefore, the cooling need is greater than the heating need in all the heat pumps; the heating capacity is oversized based on need.  While the entire heating capacity will rarely ever be utilized, it is still represented as a possibility for the as‐designed conditions.  This would explain the inflated as‐designed value.  This trait is also represented in Table 3‐3, showing the area per MBH required for the building.   

     

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    11 

    Table 3‐3: Calculated and As‐Designed Airflow Values in Terms of Area 

    Once the required loads are calculated, equipment can be selected.  Water‐source heat pumps became a logical choice for the designers, because it allowed the Hershey Press Building to take advantage of the large ceiling space, while minimizing the necessary shaft and mechanical space.  Also, the heat pumps were sized based on cooling capacity (80°F DB/67°F WB EAT and 90°F EWT) and the heating capacity (70°F DB EAT and 60°F EWT).    

    3.2 AIR SIDE MECHANICAL SYSTEM 

    The Hershey Press building’s mechanical system utilizes ninety‐four terminal air‐to‐water ceiling‐mounted heat pumps are located in the spacious ceiling plenums.  Overall, this was an energy‐efficient choice, taking advantage of the large 3‐8’ high plenum spaces.  Within these plenums, return air and outside air from energy recovery ventilators are supplied into the plenum.  This air is mixed through temperature gradients, and the mixed air is drawn through the heat pump.  Once conditioned by the heat pump, the airstream is directly ducted to the spaces by the heat pumps.    

    Each water source heat pump will be controlled by an individual, 7‐day programmable thermostat.  The thermostat, provided by the heat pump manufacturer Florida heat pumps, will be mounted in plain view for the offices and in the back of house or the manager’s office for the restaurant spaces.  Thermostats will be located at ADA compliant wall heights.  The heat pumps will maintain a heating dry bulb set point of 70°F and a cooling set point of 72°F during the occupancy schedule of the space.   

    The ventilation air is supplied by two energy recovery ventilators to each floor plenum from the roof.  In order to provide the necessary outside air requirements to all three floors and basement, the ERVs serve as dedicated outside air units for the facility.  Exhaust air, providing relief for the ERV’s, is ducted from numerous occupied spaces back to the ERV.  This exhaust air then flows over silica gel heat exchangers within the ERV to temper the outside air before it is discharged to the plenums.   

    Both energy recovery ventilators, located on the roof, operate on an occupancy‐based schedule.  ERV‐401, serving the basement, second floor and third floor, runs from 6:00am to 6:00pm.  ERV‐401, serving the first floor restaurants and office tenant, operates from 6am to 3am.   This occupancy can be adjusted. 

    When the ERV is in use, also known as occupied mode, the heat wheel is disabled when the temperature of outdoor air stream is between 55°F and 70°F.  When the ERVs are in unoccupied mode, both the fans and heat wheel are disabled and the dampers are closed.  Smoke detection is also installed in the 

    Building Airflow Values in Terms of Area 

       Cooling Load ft2/ton cooling 

    Heating Load     ft2/MBH heating 

    Supply Air cfm/ft2 supply 

    Vent Air cfm/ft2 vent 

    Calculated  303.0  50.5  1.93  0.30 

    As‐Designed  264.8  21.3  2.09  0.32 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    12 

    exhaust duct on the unit.  This is used to monitor the exhaust air for smoke, in which case would signal and alarm and fire system, while disabling the unit. 

    Make‐up air units and kitchen grease exhausts provide proper ventilation and exhaust of equipment without cross‐contaminating the building’s plenums’ for both restaurant kitchen spaces. 

    3.3 WATER SIDE MECHANICAL SYSTEM 

    The water source heat pumps are served by a water source heat pump hydronic loop, tempered by three natural gas boilers and closed‐loop fluid cooler tower.  This loop serves all floors in a parallel circuit arrangement.  The loop serves as a heat rejecter or acceptor for the refrigeration cycle of each unit.   

    Two pumps circulate the WSHP loop, for redundancy purposes.  These pumps operate in a lead/lag fashion.  On a weekly basis, the lead and auxiliary pump alternate, in order for equal usage and depreciation to occur.  While one pump is acting as lead, it shall run continuously, and at 100% output, for the seven day rotation.  There are no variable drives connected to either pump.  In event of a lead pump failure, the auxiliary pump will take over and an alarm will sound.   

    Two plants that temper the loop at the proper temperature required by the heat pumps is the boiler and fluid cooler plant.  There are three natural gas boilers that all includes back draft fans and control panels with interlocks.  With a total capacity of 414 MBH, 12.4 horsepower, 80 % efficiency and 40 gallons per minute capacity, these boilers are arranged in a parallel loop to serve the water source heat pump loop.   

    Each boiler will rotate on a lead/lag weekly rotation such the each boiler will lead every third week, much like the heat pump water pumps.  All the boiler temperature set points are adjustable through the Sage controller.  Each boiler will have an alarm output, indicated to the Sage controller, and can alert facility managers as well as the mechanical service contractor in case a boiler needs to be removed from the control sequence for any reason.  In this case, the other boilers will operate as normal. 

     Once the heat pump loop water temperature, detected by the temperature indicator/thermometer and sent to the sage controller by the temperature indicator, falls to 64°F, the fluid cooler isolation valve (CV‐5) closes.  At this point, the systems bypass valve (CV‐4) and all three boiler isolation valves (CV‐1‐3) open.  Figure 3‐4 shows the control sequences for the fluid cooler, by‐pass valve, and boilers. 

    Table 3‐4: Hershey Press Building Boiler Control Sequence of Operation 

     

     

     

    BOILER OPERATION CONTROL SEQUENCE Fluid cooler By-Pass Valve Lead Boiler 1st Lag Boiler 2nd Lag Boiler

    60°F OFF OPEN ON ON ON 62°F OFF OPEN ON ON OFF 64°F OFF OPEN ON OFF OFF 66°F OFF OPEN OFF OFF OFF

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    13 

    Each valve provides real‐time feed of their open/close status.  The bypass vale and the fluid cooler valve will never be closed at the same time, according to the sequence.  Once the boiler approves the proper flow, 40 gpm, the lead boiler will enable and fire to maintain a discharge temperature above 65°F.   

    If the water loop temperature continues to drop to this point, to a temperature of 62°F, the first lag boiler shall be enabled and fire to maintain the discharge temperature by internal control modulation.  In the scenario, if the first two boilers are unable to meet the proper discharge temperature and the water loop drops to 60°F, the second lag boiler will enable and fire.   

    Once the temperature begins to rise in the water pump loop, the second lag boiler will disable at 62°F and the first lag boiler will disable at 64°F.  The lead boiler will disable at a loop temperature of 66°F, the ambient temperature for the loop, and the loop will bypass the boiler completely.   

    The second plant utilized to reject heat from the loop is the closed loop fluid cooler.  The entering water temperature is 100°F and the leaving water temperature is 90°F, with an entering air temperature of the fluid cooler estimated at 78°F.  By utilizing two fifteen horse power pumps, the fluid cooler cools the loop by spraying the loop to release heat, similar to the way a cooling tower works.   

    Once the  66°F water source heat pump loop rises in temperature to 85°F, the fluid cooler isolation valve (CV‐5) will open and all three boiler isolation valves (CV‐1‐3) and system by‐pass valve (CV‐4) will close.  At this stage, the heat pumps are rejecting heat to the heat pump loop and further heat rejection of the loop is required.   

    As the temperature of the loop increases to 86°F, the damper to the fluid cooler will open.  At 87°F, the spray pump is energized.  With proof the damper is open and at 88°F temperature, the first fan motor will turn on.  As the temperature rises an additional degree, to 89F, a second fan motor is energized.  As the temperature decreases, each temperature increment that powered a certain fluid cooler component will deactivate in the same corresponding manor.  See Table 3‐5 for a summary of the fluid cooler operation.  Remember, the temperature set points can be customized. 

    Table 3‐5: Hershey Press Building Boiler Control Sequence of Operation  

    FLUID COOLER OPERATION CONTROL SEQUENCE

    Fluid Cooler (FC) By-Pass Value FC Damper FC Spray Pump FC Fan Motor 1 FC Fan Motor 2 85°F ON CLOSED OPEN OFF OFF OFF 86°F ON CLOSED OPEN ON OFF OFF 87°F ON CLOSED OPEN ON ON OFF 88°F ON CLOSED OPEN ON ON ON

    The fluid cooler has a sump pump heater that will energize once the water temperature falls below 40°F.  If the cooler would spring a leak or the water level drops below a certain level, a low water cutout switch will de‐energize the heater and sound an alarm.   

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    14 

    To simplify the water side system, a schematic can be created.  The water source heat pump schematic, located in Figure 3‐3, shows the integration of both plants prior to being distributed to the heat pumps.  The schematic shows five control valves (CV 001‐005) that will divert the flow depending on the temperature of the loop.  An expansion tank (ET‐001) and an air separator (AS‐001) are used to maintain the correct loop water pressure.  The boilers (B 001‐003) are shown in parallel arrangement as discussed. The closed loop fluid cooler is marked CT‐001 on the schematic.  A heat pump loop chemical shot feeder is used to disinfect any micro bacterial growth.   

     

    Figure 3‐3: Water Source Heat Pump Loop Schematic 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    15  

      This section summarizes the compliance evaluations for the existing mechanical system at the Hershey Press Building.  These standards include ASHRAE Standard 62.1‐2007 and ASHRAE Standard 90.1‐2007. 

    4.1 ASHRAE Standard 62.1‐2004 

    The designers used ASHRAE 62.1‐2007 to calculate the minimum outside air requirements for the spaces.  Based on occupancy, population, and area, the minimum ventilation rates were calculated and compared to the original minimum outside air volumetric flow rate found.  The results proved that indeed the Hershey Press Building had the proper amount of outside air being distributed to the system. 

    For the ventilation rate analysis, Energy Recovery Ventilator (ERV‐402) was used to compare the minimum outdoor air ventilation that was calculated versus what was designed.  The ERV serves the first floor only, which houses 3 major tenants’ area.  All three of the tenant’s mechanical systems were designed and occupied at separate times.  Two ducts mains from the ERV above, dedicated to outside air and exhaust air, run parallel to all three spaces, branching out to each to serve the plenums with outside and air and exhaust room directly through ceiling exhaust grilles. 

    This system, ERV‐402, was the most important to analyze because of the diversity of the spaces it serves.  The second and the third floor have similar occupancies, office space and conference rooms being occupied from 9‐5 on weekdays, thus ERV‐1 was sized to meet these criteria.  However, the first floor was sized prior to the other two tenant’s layouts, it was important to ensure the designer allowed enough ventilation air was leftover after the third design was finished, without knowing who the second and third tenants were going to be.  There is also a variety of occupancies with varied times of occupancy, that need to be taken into consideration.  The first floor also has more complex exhaust and make‐up air systems that had to be examined to ensure there was no cross‐contamination of grease exhaust and recirculated air.  

    For these reasons, it is necessary to calculate the outside air requirements for the first floor, being served by ERV‐402, to ensure the ventilation design used to select the ERV was valid.   

    Table 4‐1: Hershey Press Building Standard 62.1‐2007 System Final Results 

    Hershey Press Building ERV‐402                                                   ASHRAE Standard 62.1‐2007 System Final Results 

    Calculated Minimum Ventilation   Minimum Outdoor Air Intake Airflow 

    System 

    Floor Area Served (As) 

    Population Served       (Ps) 

     Primary Supply  Airflow Rate (Vpsd) 

    OA Intake Flow Req'd (Vot) 

    OA Intake Req'd 

    Fraction of 

    Primary SA  (Y = Vou/Ev) 

    Ventilation System Efficiency   

    (Ev) 

    OA per Unit Floor Area 

    (Vot/As) 

    OA per Person (Vot/Ps)

    % OA per 

    Design Primary Supply Air (Ypd) 

    ERV‐402  20,467  569  40,000  8,298  0.21  0.84  0.41  14.6  21%  

                 4.0 ASHRAE Standards  

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    16 

    Using the minimum ventilation rates taken from Table 1‐6 in Standard 62.1‐2007, the ventilation rates were calculated.   In Table 4‐1 above contains the overall system results.   

    One way of reducing the Zp value for this zone is to supply more air to the space.  While using the Short‐Term Condition calculation may be another possible way of reducing Zp, it is not applicable in this case due to the dining room being occupied 12‐14 hours a day, thus not being considered short‐term. 

    Although Zone 12, the dining room for Devon Seafood has the maximum value for Zp, it is important to realize that the rest of the Zp values are close in proximity to one another.  In fact, most of the values are in the 10‐20% range.  This is quite beneficial for our ERV/heat pump system.  As discussed in Section 5, the amount of o/a required to each space is critical to the design.  If all the spaces has similar outside air fractions, it is much more likely that each zone will receive an even amount of outside air, thus meeting their zone ventilation requirement.  In other words, if all the zones are pulling for relative equal amounts of outside air, there is a greater chance that the ventilation requirements will be met. 

    Some of the zone efficiencies (Evz) are greater than one.  This is the case because a few of these spaces are being over ventilated, being supplied more outside air than what is actually required.  Having an abundance of ventilation air isn’t’ necessarily a bad problem to have.  Studies have found that over ventilated spaces have occupants that are less lethargic and more productive.  The spaces that have efficiencies greater than one, such as conference rooms, offices, and kitchens, will have occupants that will benefit from the additional ventilation.  

    After the results were calculated, the data calculated for minimum ventilation was compared to the original calculations made by the designer a few years earlier.  See Table 4‐2 below for the comparison. 

     

    Table 4‐2: Hershey Press Building Standard 62.1‐2007 Compliancy Calculations 

    Hershey Press Building ERV‐402                                  ASHRAE Standard 62.1‐2007 Calculations 

    Calculated Minimum Ventilation  As‐Designed Minimum Ventilation 

    Tenant Calculated        Vot    (CFM) 

    Orignal Min. O/A  (CFM) 

    Meets Std. 62.1‐2007? 

    Lobby  24  25  YES Houlihan's  2,975  5,760  YES 

    Devon Seafood Grill  3,261  3,330  YES Jack Gaughen Realty  752  1,925  YES 

               Total  7,011  11,040  YES 

    All of the original outside air calculations from the three tenant spaces met and exceeded the Standard 62.1‐2007 calculated ventilation requirements.  Therefore, all three tenant spaces being served by ERV‐402 are Standard 62.1‐2007 compliant.   

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    17 

    In fact, the original outside air calculated was 65% higher than the found minimum outside air required.  It’s important to remember that the original designer was very conservative with his calculations for the future tenant spaces.  Without knowing the future occupancy type or population, it was necessary to estimate the amount of outside on the high side, to ensure the original system would be able to handle the new tenants without needing to be replaced. 

    4.2 ASHRAE STANDARD 90.1‐2007 

    According to ASHRAE Standard 90.1, its purpose is to “provide minimum requirements for the energy‐efficient design of buildings except low‐rise residential buildings”.  Within the scope of the standard includes new systems and equipment in existing buildings, in which the Hershey Press Building would be considered.   

    Section 5 – Building Envelope 

    The Hershey Press Building, located in Hershey, Pennsylvania, is included in the Climate Zone 5A, according Appendix B in the standard.   

    According to the Compliance Paths, Section 5.2.1, the building can be evaluated using the Prescriptive Building Envelope Option since “the vertical fenestration area does not exceed 50% of the gross wall area for each space‐conditioning category.  With over 200 windows, the 40% of glass area for the entire building is not surprising.  See Table 4‐3 for the calculation used to determine the total glass percentages. 

    Table 4‐3: Hershey Press Building Roof & Building Envelope Glazing Percentages 

    Hershey Press Building                              Roof & Building Envelope Wall/Glass Values 

       SF  Glazing  % Glazing 

    Roof  24,710  0  0% 

    Walls  36,900  14675  39.8%  

    Back during the original construction, a brick encased concrete block facade supported by a concrete structural system, a relatively insulated R‐value was established.  The roof, walls, floors, and glass can be checked for meeting their energy‐efficiency.  By calculating the U‐values, for the different building envelope elements, it can be checked for meeting 90.1 Building Envelope Requirements in Table 5.5‐5.   

    For the roof, the construction is a 6” Concrete slab roof with 2” ISO insulation and EPDM Single‐Ply membrane.  The overall roof construction U‐value is 0.12 (R‐value of 8).  The standard requires roof insulation entirely above deck for a non‐residential roof to have a maximum assembly U‐value of 0.63 (Insulation minimum of R‐15).    Therefore, the roof of the Press Building meets the Roof Building Envelope Requirements. 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    18 

    For the walls, a U‐value of 0.13 (R‐Value = 7.86) was found for the Hershey Press Building.  See Table 4‐4 for the derivation of these values.  Since the walls are Nonresidential, mass walls, above grade, the maximum u‐value is 0.123 (Minimum R‐Value = 7.6).  Therefore, the walls of the Hershey Press Building do not meet the Wall Building Envelope Requirements. 

    Table 4‐4: Hershey Press Building Thermal Wall U & R Value Properties 

       

     

     

     

     

     

     

     

    For the floor, a 6” concrete slab on grade is used.  Its overall U‐value is 0.53.  According to Table 5.5‐1, the maximum assembly U‐value for an unheated, slab on grade floor is 0.73.  According to this value, the Press Building’s floor meets the Floor Building Envelope Requirements. 

    For fenestration elements, the Press Building has double coated ¼” glass picture windows, non operable.  The U‐value for the windows is 0.29 with a shading coefficient of 0.43.  For the standard, it requires fenestration with 30.1‐40% vertical glazing of wall for fixed windows to be 0.57 U‐value and 0.49 shading coefficient.  Therefore, the Press Building windows do meet the window standards for 90.1 due to the high shading coefficient. 

    See Table 4‐5 for a summary of the building envelope requirement compliancy. 

    Table 4‐5: Hershey Press Building – Building Envelope Requirements for Zone 5 Summary 

    Building Envelope Requirements Summary 

    Opaque/Fenestration Elements Max. U Value 

    Req'd Actual          U‐value 

    Meets Standard? 

    Roof ‐ Insulation Entirely Above Deck  0.63  0.12  Yes Walls ‐ Above Grade, Mass  0.12  0.13  No Floors – Slab on Grade, Unheated  0.73  0.53  Yes 

    Windows ‐ Vertical Glazing of 30.1‐40% of Wall, fixed 

    0.57 w/maximum SHGC of 0.39 

    0.29            w/ SHGC of 

    0.43 No 

    Hershey Press Building               Thermal Wall Properties 

    Layer  R‐Value Inside Air Film  0.68 

    5/8" Gypsum Board  0.56 1" Insulation  3.33 

    12" HW Concrete Block (filled)  2.56 4" Face Brick  0.56 

    Outside Surface Resistance  0.17      

    Total R‐Value  7.86 Total U‐Value  0.13 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    19 

    Section 6 – Heating, Ventilating, and Air Conditioning 

    In order to meet Section 6.4 Mandatory Provisions and Section 6.5 Prescriptive Paths, the building must have more than 2 stories and the overall square feet must be greater than 25,000.  Since the Press Building has 3‐story, 75,000 square foot building, it is included in both these sections. 

    For starters, the water‐source heat pumps must follow the efficiency standards of Table 6.8.1D – Packaged Terminal and Room Air Conditioners and Heat Pumps.  The minimum efficiency for a replacement packaged terminal heat pumps (PTHP) in cooling is 10.8 EER and for heating is 2.9 EER.  The heat pumps installed in the building have a cooling EER of 14.2‐14.6 and a heating COP of 4.5‐4.6.  The installed heat pumps meet the standard. 

    The boiler, found in Table 6.8.1F of the standard, requires that all Gas‐Fired Boilers, greater than 300 MBH, at maximum capacity should have a minimum efficiency of 75%.  The three installed boilers meet the standard, each of which has an efficiency of 80%. 

    In the same regard, the closed loop fluid cooler is considered a type of heat rejection equipment, and Table 6.8.1G of the standard handles the efficiency requirements.  Similar to a propeller or axial fan cooling tower, the fluid cooler is required to meet a performance level greater than 20 gallons per minute (gpm) per horse power (hp).  The press building’s heat pump is 690 gpm and has two 15 hp motors.  Therefore, it has a ratio of 23 gpm/hp, thus it does not meet the standard.   

    The exhaust hoods, vents and ventilators are all equipped with motorized dampers, thus meeting standard 6.4.3.3.2.  The maximum leakage for the damper is less than 10 CFM/square foot of damper area.   

    All ducts that are located in non‐conditioned spaces, not including plenums, need to be insulated according to Section 6.4.4.1.   The ducts for the press building are insulated in the shafts and on the roof, therefore following the standard’s requirements.  Also, the entire pipe that is located in critical conditions where condensate is not welcome, needs to be insulated. 

    Since heat pumps are being utilized, each heat pump will have its own zone controls for re‐heating, re‐cooling, and/or mixing with conditioned room air.  Therefore, the system meets section 6.5.2.1 of the standard.  In section 6.5.4.4, the standard asks that each hydronic pump should have a two‐position automatic valve interlocked to shut of water flow when the compressor is off.  After reviewing the specifications for the heat pumps, it indeed is in line with this standard. 

    Hydronic (Water Loop) Heat Pump Systems, discussed in section 6.5.2.2.3, requires that the loop have controls that are capable of a 20°F deadband for the supply water temperature, which the Press Building is able to do.  Following the code for fluid coolers, the Press Building also has an automatic valve to bypass all but minimal flow pass the cooler.   

    The ERV‐402 is a 7.5 hp for a maximum 9,600 CFM outside area/supply air volume.  In other words, it can serve a constant volume of 0.78 hp/1000 CFM.  The standard, as stated in Table 6.5.3.1, demands 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    20 

    that the fan power shall not exceed 1.2hp/1000 CFM for a constant volume supply air volume less than 20,000 CFM.  Therefore, the energy recovery ventilator meets this criterion. 

    In Section 6.5.6 of the standard, there are specifications that deal specifically with Energy Recovery.  The system is a perfect candidate for heat recovery since the capacity of the ERV is greater than 5000 CFM (9600 CFM) and has a minimum outside air supply of 70% or greater (100%).  Therefore, the silica gel energy wheel is following the 50% energy recovery effectiveness from the recovery of energy from the exhaust/relief air of the system.   

    The following section, Section 6.5.7, goes into the specification for kitchen hoods.  Since the two individual kitchen hoods for Devon Seafood and Houlihan’s Restaurant are both larger than 5,000 CFM, the standard requires that the makeup air unit should be sized for at least 60% of the exhaust air volume.  The make‐up air units for Houlihan’s and Devon Seafood are sized for 85% and 94% of the kitchen hood exhausts respectively, thus following the standard. 

    Section 7 – Service Water Heating 

    The Hershey Press Building has four domestic hot water heaters to serve the building.  Located in the basement, three gas‐fired boilers, and one auxiliary boiler, supply heated water to the heat pump loops.  All boilers have a 94% thermal efficiency and each having an input varying from 500‐540 MBH.   

    The standard, in Table 7.8, requires the performance of gas storage water heaters, greater than 75 MBG, to have a minimum thermal efficiency of 90%.  All of the domestic water heaters meet this standard. 

    Section 8 – Power 

     In terms of voltage drop, all feeders shall be sized for a maximum voltage drop of 2% at design load.  Also, branch circuits shall be sized for a maximum voltage drop of 3% at design load. 

    Section 9 – Lighting 

    The requirements for lighting systems in buildings are discussed in this section.  Because the Hershey Press Building has a mixed occupancy, it is necessary to take the most conservative value and apply that to the entire building.  For example, according to Table 9.5.1, the maximum lighting power density for a dining‐bar lounge/leisure area is 1.3 watts per square foot and for an office building is 1.0 watts per square foot.   By using the Building Area Method, I summed the watts per square foot for the entire facility as well as the area.  The results were astounding.   The building’s overall power density is 1.9 watts per square foot, which is extremely high and does not pass code.     

    The reason the building’s lighting power density is so high is due to old fixtures and aesthetically‐pleasing lighting plans.  The architect was concerned only for the “look” of the lighting, and less concerned with energy conservation.  One way to reduce the power density is to determine space by space criteria for lighting density and reduce each space accordingly. 

    Section 10 – Other Equipment 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    21 

    After comparing Table 10.8 Minimum Nominal Efficiency for General Purpose Design A and Design B Motors, it became apparent, after comparing the date to the Press Building’s data, that all motors met the criterion. 

    Overall, six sections of ASHRAE Standard 90.1‐2007 were evaluated.  The building envelope did not meet all the standards required by this standard, namely the walls and glazing fell short of expectations.  In the heating, ventilating and air conditioning section, it meets most of the standards except for the heat rejection equipment, the fluid cooler, needs to be more efficient in order to meet the standard.  The service water heating, gas‐fired domestic water heaters of the space met the criterion of this section.  As did the power requirements in the power section.  Section nine, lighting, was one section that the Hershey Press Building failed to meet miserably.  The lighting power density for the facility greatly exceeded the maximum allowable, and therefore failed the building’s ability to be lighting efficient.  In the other equipment section, the press building redeemed itself to an extent, by meeting all the efficiencies in the motor requirements.   

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    22  

     

    The Hershey Press Building has gone through four extensive design processes and energy analyses for each of the four tenant fit‐outs.  The mechanical design was chosen based on many factors, including system control in multiple zones, integration of the structural, mechanical and architectural systems, as well as energy efficiency and life cycle cost.  While the McClure Company chose an extensive, logical design, there are still some changes that can be made to optimize the system long term.  These include strategies to reduce the energy lifecycle cost for the building, improve in the indoor air quality, and make the building more sustainable.   

    5.1 SUSTAINABLE RETROFIT OBJECTIVES 

    A sustainable retrofit is an analysis of beneficial changes that could be utilized in a real world application, for all intents and purposes of this report.  The Hershey Press Building manager stated that if the sustainable study concluded anything with an optimal payback and substantial energy savings, it could potentially be executed.  A main goal for this study is to choose realistic alternatives that future benefits will lead to a need for implementation. 

    The mechanical retrofit redesign will focus on three major areas associated with sustainability, including water efficiency, energy efficiency and indoor environment quality.  In each area, three to six alternatives will be evaluated.    With each alternative, key factors will be evaluated in terms of cost and constructability.    These factors will need to be addressed and researched, prior to any sustainable alternative suggestions.   

    Two breadth alternatives will also be analyzed to supplement the mechanical proposal.  The first area includes a possible architecture redesign of the building envelope in order for the building to become more energy efficiency.  These include improvements to the roof, wall, and windows.  The second area will provide a construction management analysis which will include cost and schedule impacts due to alternatives.  The mechanical designer and contractor are from the same company, design/build, estimation and installation challenges can be predicted and later evaluated. 

    5.2 OPTIONS FOR THE WATER EFFICIENCY STUDY 

    With three million gallons of on‐site water used annually on site, water conservation should become a priority.  While water is often treated as an infinite resource, possibly due to its inexpensiveness, it is actually not an infinite resource and has been under restrictions a number of times.  By reducing the water usage in the Hershey Press Building, a sustainable water system could be initiated. 

    This section will discuss different options researched for improved water efficiency for the Hershey Press Building.  One option for water efficiency was to take treated building water and use it for the exterior landscaping.  After close examination of the landscape outdoors, it was quite minimal and would not be a cost effective choice.   A second option for water reduction includes implementing water efficiency methods in the building’s daily plumbing use.  Low to no flow lavatory and sink fixtures could be installed, as well as lavatory and sink fixtures with automatic shut offs.  This option was also eliminated, 

              5.0 Sustainable Retrofit Introduction 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    23 

    after researching the current plumbing fixtures already were already low flow and had sensors.  The final and selected option was to use treated building water for the fluid cooler instead of fresh water.  Section 6 will feature this study. 

    5.3 OPTIONS FOR THE ENERGY EFFICIENCY STUDY 

    With an estimated two million kWh energy demand usage for electricity annually, it becomes necessary to research alternatives for energy use and reduction.  Energy savings can occur by discovering ways to reduce energy usage.  Analysis is needed for the chosen solution to guarantee energy savings and rapid payback of the instituted system.  Similar to the water efficiency study, multiple options were researched beforehand in order to find the most suitable alternative to investigate.  By analyzing the effectiveness and application of all of these ideas, one can determine which should be suggested for implementation.  Energy savings and annual payback can then be calculated.  This information will then be added to the energy savings of the entire building. 

    One option to reduce energy usage is to combine the heating for the heat pump loop and domestic water heating requirement.  Instead of using dedicated systems for both, the efficient condensing boilers could be used to provide the heating for both.  A storage tank for the hot water supply would have to be installed for this system to operate.  Also, attention to loop temperatures and dish washing temperatures would have to be investigated.  Use of the auxiliary boiler or addition of a boiler may be an end result of this analysis; in order to ensure neither the water loop system or domestic water heating system is compromised.   

    This option was eventually eliminated because of the boiler range temperatures required for the loop was substantially lower than the temperature range for the domestic hot water.  The water source heat pump loop was only required the boiler to heat the loop to 66°F.  The domestic water temperature requirement would almost be three times as much.  Therefore, combing the systems would not be effective. 

    A second option to improve energy efficiency for the site is to find ways to improve or reduce the load on the boiler and its gas consumption.  One way is to improve the boiler to a variable load or pulse boiler.  Another way is to use geothermal system or ground source heat pump to reduce the boiler overall consumption.  A third method is to initiate micro turbines for combined heat and power for the mechanical system.  While the during the winter months, the mechanical system would use the excess heat to supplement the boilers in the water loop heating requirements, the summer would present a challenge for the excess heat use.   Domestic water heating in the summer, however, could be impacted by this heat excess to even further the reduction of boiler requirement during these months. 

    While this option had many possible alternatives, each alternative seemed to fall short individually.  The combined heat and power, along with the micro turbines, posed problems of installation, first cost, and payback for the investment.  Changing the boiler was also a failed idea, because the condensing boiler is best suited for lowing hot water temperature requirements.  Geothermal systems and ground source heat pumps also fell by the way side due to the enclosed site.  A possible idea was to disassemble a 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    24 

    rollercoaster fifty feet away, bore wells on the open site, and reassemble the rollercoaster upon completion.  This solution is extremely impractical due to the length of the piping required and the disturbance of a railroad that runs between the park and the site.    

    A third energy reduction option that could be implemented is the use of variable frequency drives on the water loop pumps.  This method would require a reconfiguration of controls for all heat pumps as well as on the pump itself; however, it would allow the pump to run on a schedule rather than continuously.  The lead and lag pump would still remain on a biweekly usage.  A possible energy savings and pay back could be determined for this measure.  This option was chosen for the study and can be found in Section 7 of this report. 

    5.4 OPTIONS FOR THE INDOOR ENVIRONMENTAL QUALITY STUDY 

    The indoor environment of any building is a major concern for building owners.  The tenants deserve spaces that are well ventilated and free from any health deficiencies, like an exposure to contaminants or improper ventilation to spaces.   

    While overall the ventilation flow rates for the building appears meet ASHRAE Standard 62.1‐2007, the distribution of this air through a combined supply/return plenum makes it unclear whether each heat pump will receive the proper amount of outside air for the zone it serves.  By developing methods for proper ventilation air distribution, the indoor environmental quality can be optimized.   

    Similar to the previous two sections, several options were developed and researched in order to find the best solution based on cost, affectability, and health improvements for the facility.  Each option is listed below with reasoning why, or why not, the option was chosen.  These options range from improved ventilation strategies to air quality improvements. 

    One option is utilize carbon dioxide monitors.  These devices could be installed in high occupancy spaces to manage the amount of ventilation required for each space.  Not only would this increase the efficiency of the ventilation system, it would also give the owner a measurement and verification method to ensure proper ventilation of spaces and optimized indoor air quality. 

    Initially, this method seemed optimal and one could question why it wasn’t already in place.  However, because of the current design of ventilation air distribution, this option would stop short.  An increase to the ventilation air only occurs within the plenum.  Without direct ducting the ventilation air, it cannot be guaranteed that the additional ventilation is reaching the desired space.   

    With the increase of return air circulation into the spaces, filters place in the return air grilles could be used to remove contaminants from the populated spaces.  This would improve the cleanliness of the plenum spaces as well as reduce the amount of filtering done at the heat pump level.   In turn, this could reduce the amount of filter changes for the heat pumps, which is quite a feat due to the quantity and locations of multiple terminal units. 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    25 

    While in theory, this option seems like a positive initiative, it has one major issue.  The pressure drop of a filter place on a return grille would put strain on nearby heat pumps, with a possibility of damaging the internal motors.   

    A third way to improve the indoor environments air quality is to tackle the kitchen make‐up air and exhaust.  Since the same plenum is used for all first floor inhabitants, kitchen and dining rooms alike, certain precautions have to take place to ensure the pressurization of the plenum is optimized.  It is also necessary to use hoods to exhaust the kitchen spaces of harmful air contaminants.   

    A possible solution would be to separate the kitchens from the central heat pump system and provide commercial kitchen ventilation system that would solve kitchen comfort problems as well as a dedicated system that will not affect the office and dining systems.  A dedicated outdoor air system (DOAS) could be installed to take care of both the conditioning and make‐up air required for the system.  Load will also be taken from the central heat pump loop and therefore, the conditioning of this load on the loop would be reduced significantly.   The control sequence for the DOAS unit and the hoods will need to be highly coordinated in order for the energy efficiency and spatial comfort to be optimized.  Further research and calculations will have to take place in order to properly demonstrate the beneficial effects this system could offer. 

    This option has flaws as well.  While a dedicated kitchen unit would solve the kitchen/dining room issue for both restaurants, that would be the only resolution made.  The offices and other spaces would still have incomplete ventilation.  The kitchen already has a make‐up air unit within the space, coordinated to the exhaust fans in order to keep the kitchen pressurized and well ventilated.  Although this option was not chosen for the study, the final option will correct the kitchen ventilation contamination issue. 

    The final option, and the option chosen for more in‐depth research, discovers a way to guarantee proper ventilation to all spaces.  One way to ensure proper delivery of ventilation air is to directly duct the outside air into all tenant spaces.  This method was chosen and is discussed in greater detail in Section 8 of this report.  

    5.5 SUSTAINABLE RETROFIT SUMMARY 

    Three sustainable alternatives were chosen and will be discussed.  These three include a rain water usage application, the addition of variable frequency drives for the pumps, and ducted ventilation air to all critical spaces.  These three studies, although they may seem quite simple, are three highly possible projects the owners of the Hershey Press Building could pursue.  The next three sections will discuss how each option was researched, the cost analysis associated with each, and final payback opportunities if implemented.   

     

     

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    26  

     

    In order to correctly conduct a water efficiency study, it is important to identify equipment and systems in the building that use the majority of water.  During the summer months, the fluid cooler, used for water source heat pump heat rejection, utilizes a fresh water supply for its cooling purposes.  An estimated 5,000 gallons is used by the fluid cooler on a typical day in July.  A proposed alternative is to use treated building water for the fluid cooler instead of fresh water.   

    Treated building water could be taken from the following systems:  

    • Condensate Water Loop:  The condensate water from the water source heat pumps could be used to supplement the fluid cooler.  A pump would have to purchased and installed in order to supply the water.  The condensing boiler condensation, in the winter time especially, could also be used for excess water. 

    • Grey water: The grey water, including dishwasher water and sink water, could be treated and supplied to the fluid cooler as well.  The treatment of this water would be substantial, but between Houlihan’s and Devon Seafood kitchens, an annual abundance of grey water should be sufficient. 

    • Rainwater: By redirecting this water from a drain and into a storage tank, this rainwater could be redirected during times of almost drought conditions.  Rain water could be captured from the roof and directed to the basement through roof drains.  Once in the basement, water can be directed underground to a large storage tank for later use.  A pump would have to be installed to take the water from collection to its desired destination. 

    Condensate water, through further investigation, was not a logical choice.  One reason is because the abundance of condensate is lower than what is required by the fluid cooler.  The infrequency of condensate, and low predictability, also causes this option to fall short.    Grey water is also another poor choice, especially from the kitchen standpoint.  The grey water would have a substantial amount of grease intertwined with the water.  Even with the use of a grease interceptor, the water would still be unsuitable for the fluid cooler. 

    Therefore, rainwater becomes the primary choice.  Central Pennsylvania is blessed with a climate that yields an abundance of rain throughout the year.  This steady flow, if captured, could serve the Hershey Press Building with more than enough water required for the fluid cooler.  The shape of the building is also advantageous for the collection of rain water.  While the building is only three floors high, it makes up for the lost vertical space by an elongated horizontal plan with a flat roof, pitched for drainage purposes. 

    The roof area of this massive structure is approximately 24, 180 square feet, which allows the collection of rain water through seventeen roof drains, arranged around the perimeter of the building, approximately three feet from the parapet.  There are sixteen 3” roof drains, with the maximum individual collection area of 2,332 ft2 and one 4” roof drain has the maximum collection area of 3,256 ft2.  The roof drains are then combined around the perimeters of the roof into 7 branches that penetrate 

                6.0 Water Efficiency Study 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    27 

    through the building  In the basement, all the branches are consolidated into an 8” rain water collection piping with test tees and clean outs.  The main drain then ties into an existing 10” roof drain that directs rainwater into an underground storm drain. 

    One potential pitfall with rainwater is the infrequency of rain throughout the summer months, at the time when the fluid cooler is using the most water.  The storage tank will have to size large enough to supply enough water between the days of no precipitation.   The tank will also need to be served by an automatic city water fill in case of low water levels caused by possible drought scenarios.  An overflow gauge and relief piping into the storm drain would also be required, in order to prevent overfilling during continual rains and flood scenarios. 

    The first step for the rainwater collection analysis was to research the amount of rain water that could be collected monthly.  The National Weather Service Forecast Office has an online resource that offers a monthly water summary with historical archived data available, based on location.  In this case, Harrisburg was representative of Hershey climate.  Three years of data were averaged in order to get a relative approximation of typical precipitation index.   Only the months of April through October were used due to cooling towers typical months of requirement for water.   

     The rainwater measurement was converted into feet and multiplied by the roof area in order to get the volume of water available for capture.  This volume of cubic feet was converted into gallons.  This value was reduced by 10% to adjust for evaporation and other losses in order to get the final adjusted gallons of rain water during the months April through October.  These values can be seen in Table 6‐1. 

    Table 6‐1: Total Rainwater Collection in Gallons 

      Annual Rainfall (2006‐2008) 

    Maximum Available Rain Water to Capture/Month 

    Final Adjusted Gallons of Rainwater  

      3‐Year Average (in) 

    3‐ Year Average 

    (ft) 

    Avg. Rain (ft) * Area (ft) = 

    (ft3) 

    Total Volume of Rain (gallons) 

    Adjusted for 10% Evaporation Loss 

    (gallons) 

    Apr  3.37  0.28  7778  58,218  52,396 May  3.03  0.25  10901  81,595  73,436 Jun  5.80  0.48  5118  38,309  34,478 Jul  4.03  0.34  7113  53,240  47,916 Aug  3.30  0.28  2196  16,440  14,796 Sep  4.60  0.38  13319  99,694  89,724 Oct  3.93  0.33  3849  28,807  25,926 

     With the amount of rain water that could possibly be collected, it became necessary to compare that value to how much water the cooling tower actually uses during those months.  The cooling tower is a BAC Model FXV‐641 Closed Loop Fluid Cooler, with approximately 690 gallons per minute of water passing through its system.  The cooling tower is sized for 230 tons with a 10 degree change in temperature (delta T).    In order to compute the amount of water the fluid cooler requires per month, it 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    28 

    is necessary to find the makeup water evaporation rate.  This is the rate at which the water needs to be replenished per hour based on the gallons/ton of water used by the fluid cooler, also known as the makeup water flow rate.  The equation used in Figure 6‐1 for the evaporation calculation was taken from the manufacturer’s literature.   

     

    Closed‐Loop Fluid Cooler Evaporation Calculation 

    Evaporation Rate (Gallons/Ton‐Hrs) 

    =  Flow Rate/Ton (gpm/ton) 

    *Delta T  *.06 constant (min/Hr)  

    1.8 Gallons/Ton‐Hrs  =  3 *10  *0.06 

    Figure 6‐1: Evaporation Rae for the Closed Loop Fluid Cooler Calculation 

    Next, computer energy modeling software, Trane TRACE, was utilized to find the water required in gallons/month by the fluid cooler.  TRACE models the building energy conditions, based on internal and external thermal loads, in order to generate the required amount of conditioning the spaces are required to have in order to maintain certain set points.  The loads are translated into energy consumption based on the source. The scope of these calculations includes district hot and/or chilled water, in this case three boilers and a closed loop fluid cooler.  Below, Figure 6‐2, is the unloading curve for the fluid cooler, as modeled by the program.  TRACE is able to calculate the total amount of makeup water required by a fluid cooler.   

    Figure 6‐2: Unloading Curve for the Closed Loop Fluid Cooler 

    With the cooling tower make‐up water requirement computed, it can now be compared to rain water gallons.  Both of these values are shown, side by side, in Table 6‐2.  Notice that the cooling tower requirement is about 55% greater than the total gallons of rainwater, on average.  This will require additional water to be used to supplement the system.  The quantity of rain water (gallons/month) is 

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    29 

    multiplied by the price per gallon of water to find the overall savings, by month.  June is the month with the greatest savings, while May has the least amount of savings.   

    While the rainwater cannot completely fill the requirements of the fluid cooler, it can greatly reduce the amount of fresh water required.  Not only does this system have the opportunity to save money on water usage, it is also very sustainable system, reusing one of our most important resources. 

    Table 6‐2: Annual Rain Water Data & Cooling Tower Requirement Comparison 

     Total Gallons of   Rain Water 

    Cooling Tower Requirement 

    Additional Water 

    Required Savings 

      in 

    Gallons/month in 

    Gallons/month in 

    Gallons/month $0.0097 / 

    Gal Apr  52,396  62,000  9,604  $508.24 May  73,436  109,200  35,764  $712.33 Jun  34,478  127,800  93,322  $334.44 Jul  47,916  137,700  89,784  $464.79 Aug  14,796  132,100  117,304  $143.52 Sep  89,724  100,900  11,176  $870.32 Oct  25,926  63,800  37,874  $251.48 Total  338,672  733,500  394,828  $3,285.12 

    Table 6‐2 also shows that during the peak months between June and September, the cooling tower uses and average of 125,000 gallons/month, or roughly 31,250 gallons/week.  This information becomes important when sizing the underground storage tank.  The tank will be sized on the weekly usage of gallons; therefore, a 32,000 gallon storage tank could be used.   

    While this method of sizing the tank is optimistic and simple at the same time, it should give a rather conservative estimate of a size.  Other calculations, including overlaying the dry bulb and wet bulb in order to form an unloading chart to approximate the evaporation rates would have required substantial data.  Some of the data required was not available during the time of the study, thus this method was abandoned.   

    Other factors that affected the tank selection include economic and technical factors.  The tank will be placed underground, therefore excavation and connection to the rain water piping must be taken into consideration.  Since rock will be an issue, the tank must be durable enough to withstand ground pressures and rigidity of its surroundings.  The price of the tank must also be estimated based on size.  See Figure 6‐3 for calculation of tank size.   

     

     

     

  •    

       Hershey Press Building  Hershey, PA 

     

    30 

    Calculations to Size a Rain Water Storage Tank  

             Volume (ft3)  =  Pi  *Radius2 (ft2)  * Length (ft) 4,278                  

    (32,000 gallons) =  3.14  *(5)2  * 55 

    Figure 6‐3: Rain Water Storage Tank Sizing Calculation 

    Therefore, a tank, estimated to have a ten foot diameter, should be approximately fifty‐five feet in length in order to hold 32,000 gallons of rainwater at a time.  Using past estimation data, used by McClure Company of other past water collection tanks, an estimate of $90,000.00 for the tank would be sufficient.  One‐third of that value, $29,700.00, represents the cost of the tank, while the other two‐thirds represent the install, excavation and labor estimate.   The first cost, $157,320.00, and annual savings, $3,285.00, are then used to calculate the payback for this investment, 48 years, as seen in Table 5‐3. 

    Table 5‐3: Payback for an Underground Rain Water Collection System 

    First Cost   An Savings  Payback (Years) $157,320.00  $3,285.12  47.9 

    The payback for this estimate is not optimal.  A more reasonable payback, and investment for the owner, would have been somewhere in the area between ten and twenty years.  While this payback will not be appealing to the building owner, it would have environmental and sustainable qualities if initiated.  If the building was going to any LEED ratings, this would be an excellent way for the Hershey Press Building to earn water efficiency credits. 

    Once the water is collected in the storage tank, it would have to be pumped to the fluid cooler outside.  The fresh water connection and the storm drain/rain water connection are in proximi